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圖1 人體不同器官單細(xì)胞圖譜的構(gòu)建
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? ? ? ?美國(guó)太平洋時(shí)間2017年10月16日，與“人類(lèi)基因組計(jì)劃”相媲美的“人類(lèi)細(xì)胞圖譜計(jì)劃” 首批擬資助的38個(gè)項(xiàng)目正式公布。清華大學(xué)張學(xué)工實(shí)驗(yàn)室憑借豐富的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組生物信息分析經(jīng)驗(yàn)成功獲得部分項(xiàng)目基金，成為唯一一個(gè)承擔(dān)該項(xiàng)目的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。
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圖2 人類(lèi)細(xì)胞圖譜計(jì)劃首批38個(gè)項(xiàng)目
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? ? ? ?人類(lèi)細(xì)胞圖譜計(jì)劃（Human Cell AtlasProject）是一項(xiàng)大型國(guó)際合作項(xiàng)目，由麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)等多家單位于2016年發(fā)起，根據(jù)獨(dú)特的分子信息（如基因表達(dá)）對(duì)所有人類(lèi)細(xì)胞種類(lèi)進(jìn)行定義，并將這些信息與傳統(tǒng)的細(xì)胞學(xué)表述（如位置和形態(tài)）相關(guān)聯(lián)；致力于建立一個(gè)健康人體所包含的所有細(xì)胞的參考圖譜，包括細(xì)胞類(lèi)型、數(shù)目、位置、相互關(guān)聯(lián)與分子組分等。該計(jì)劃是通過(guò)全世界范圍內(nèi)優(yōu)秀的生物學(xué)家、技術(shù)專(zhuān)家、病理學(xué)家、內(nèi)科醫(yī)生、外科醫(yī)生、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、統(tǒng)計(jì)學(xué)家等共同討論，而提出一個(gè)具有劃時(shí)代意義的國(guó)際合作大項(xiàng)目。
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? ? ? ?2017年9月，中國(guó)成立人血細(xì)胞分子圖譜（ABC）研究聯(lián)盟，全面解析并繪制單細(xì)胞水平的正常人以及各類(lèi)血液病患者的血細(xì)胞分子圖譜及其異質(zhì)性規(guī)律。此外，其他器官的分子細(xì)胞圖譜研究也如火如荼的開(kāi)展。
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圖3 人類(lèi)細(xì)胞圖譜計(jì)劃 MIT+哈佛大學(xué)
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? ? ? ?利用ChromiumTM Single Cell 3' Solution平臺(tái)，研究人員可以對(duì)人體各種細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，獲得人體單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組圖譜，并基于基因表達(dá)將細(xì)胞分類(lèi)，定義新的細(xì)胞，繪制所有細(xì)胞及其分子的空間組織方式，探索人體各個(gè)器官?gòu)?fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)細(xì)胞中的運(yùn)作機(jī)制，并了解各個(gè)細(xì)胞中這些網(wǎng)絡(luò)的差異，以及各種細(xì)胞群體最終如何協(xié)同工作。那么ChromiumTM Single Cell 3' Solution如何幫助我們開(kāi)展細(xì)胞圖譜構(gòu)建呢？小編整理了2篇文章，供您參考。
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大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組構(gòu)建 人和小鼠胰腺細(xì)胞群體內(nèi)和 群體間的結(jié)構(gòu)圖譜
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A Single-Cell Transcriptomic Map of the Human and MousePancreas Reveals Inter- and Intra-cell Population Structure
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期刊：《Cell Systems》 發(fā)表時(shí)間：2016.10 影響因子：8.046 發(fā)表單位：哈佛大學(xué)、以色列理工大學(xué)
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? ? ? ?胰腺的大部分（95%）由兩個(gè)外分泌細(xì)胞組成：腺泡和導(dǎo)管細(xì)胞。腺泡細(xì)胞產(chǎn)生消化酶，導(dǎo)管細(xì)胞分泌碳酸氫鹽，并運(yùn)輸消化酶到腸通道。胰腺剩余的5%是胰島，分散在外分泌組織和導(dǎo)管內(nèi)，包含了分泌維持血糖穩(wěn)定的激素的內(nèi)分泌細(xì)胞。胰島包含五種內(nèi)分泌細(xì)胞類(lèi)型，α細(xì)胞、β細(xì)胞、δ細(xì)胞、γ細(xì)胞和ε細(xì)胞。
圖4 胰島的組成
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? ? ? ?本研究使用基于液滴原理的大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方法，繪制人和小鼠12，000多個(gè)胰腺細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜；為后續(xù)發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞類(lèi)型、特異性的轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)受體以及治療相關(guān)基因提供參考。
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2.1 液滴平臺(tái)，分離4個(gè)人10，000個(gè)和2只小鼠的2，000個(gè)胰腺細(xì)胞，共12，000個(gè)細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，每個(gè)細(xì)胞10萬(wàn)reads數(shù)。其中人的胰腺細(xì)胞來(lái)自于4個(gè)捐贈(zèng)者、小鼠的胰腺細(xì)胞來(lái)自于2個(gè)小鼠的品系。
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2.2 免疫組化研究：FFAR4/GPR120、MUC1 and CFTR。
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? 3.1 單細(xì)胞測(cè)序鑒定了胰腺細(xì)胞類(lèi)型的表達(dá)譜亞群 ? 12，000個(gè)細(xì)胞過(guò)濾后包含了8，629個(gè)細(xì)胞來(lái)自于4個(gè)人以及1，886個(gè)來(lái)自小鼠每個(gè)細(xì)胞大約6，000個(gè)轉(zhuǎn)錄本、2000個(gè)基因。通過(guò)聚類(lèi)分析，將人和小鼠分別分為14和13個(gè)亞群，并展示了每個(gè)亞群的特征性基因（圖5）。 ? 圖5 人和小鼠胰腺細(xì)胞分群圖和特征基因聚類(lèi)圖 ? 3.2 細(xì)胞亞型之間的關(guān)系解釋了人和小鼠品系之間一致的細(xì)胞類(lèi)型 ? 分析在人和小鼠上檢測(cè)到的所有細(xì)胞類(lèi)型，我們發(fā)現(xiàn)了在人和小鼠上幾乎相同的細(xì)胞關(guān)系模式圖（圖6）。 ? 圖6 人和小鼠細(xì)胞亞型關(guān)系的系統(tǒng)樹(shù)圖 ? 此外，分析了同一物種不同個(gè)體之間細(xì)胞類(lèi)型的一致性，比較了人1和人3的導(dǎo)管細(xì)胞，相關(guān)系數(shù)R2=0.92,遠(yuǎn)高于同一捐贈(zèng)者不同細(xì)胞類(lèi)型的相關(guān)系數(shù)R2=0.72，表明細(xì)胞類(lèi)型的平均轉(zhuǎn)錄是保守的(圖7)。 ?
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圖7 不同捐贈(zèng)者導(dǎo)管細(xì)胞的相關(guān)性分析（圖C）和
不同捐贈(zèng)者的不同細(xì)胞亞型間的相關(guān)性分析熱圖（圖D）
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3.3 內(nèi)分泌特異性基因表達(dá)
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? ? ? ?測(cè)序數(shù)據(jù)還提供了一個(gè)研究基因表達(dá)的寶庫(kù)。比如與藥物研發(fā)相關(guān)的FFAR4，與β細(xì)胞的功能成熟相關(guān)的UCN3、與遺傳相關(guān)的 DLK1、人類(lèi)疾病小鼠模型相關(guān)的LEPR（圖8）。
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圖8 特征基因在不同亞群表達(dá)的小提琴圖
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? ? ? ?針對(duì)FFAR4/GPR120 的激動(dòng)劑目前正在開(kāi)發(fā)用來(lái)治療糖尿病，因?yàn)樗麄儼l(fā)揮著類(lèi)似于胰島素的作用，可以降低血糖。本研究發(fā)現(xiàn)人類(lèi)的β細(xì)胞和δ細(xì)胞同時(shí)表達(dá)FFAR4基因，為了進(jìn)一步驗(yàn)證，接下來(lái)我們對(duì)胰島進(jìn)行免疫組化染色（圖9），發(fā)現(xiàn)確認(rèn)FFAR4存在于這兩種細(xì)胞中，推翻了之前認(rèn)為FFAR4只存在于δ細(xì)胞中的結(jié)論。
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圖9 特征基因表達(dá)的熒光免疫組化圖
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3.4 胰腺星狀細(xì)胞激活和施旺細(xì)胞分化的特征
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? ? ? ?胰腺星狀細(xì)胞與胰腺導(dǎo)管腺癌生成和轉(zhuǎn)移、胰腺的纖維化、胰腺癌的異常的免疫表型密切相關(guān)。之前研究發(fā)現(xiàn)星狀細(xì)胞分為靜止?fàn)顟B(tài)和激活狀態(tài)2個(gè)亞型，而通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序發(fā)現(xiàn)人激活狀態(tài)的細(xì)胞又分為了2類(lèi)，分別是免疫激活星狀細(xì)胞和標(biāo)準(zhǔn)激活星狀細(xì)胞。
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圖10 星狀細(xì)胞亞群特征基因熱圖
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? ? ? ?還有一類(lèi)有趣的細(xì)胞是神經(jīng)脊，我們假設(shè)是施旺細(xì)胞，但是這類(lèi)細(xì)胞的髓鞘表達(dá)是很低甚至沒(méi)有的。里面有一些跟神經(jīng)損傷后的應(yīng)激基因表達(dá)上調(diào)。因此我們把這類(lèi)細(xì)胞認(rèn)定為因?yàn)樘崛『团囵B(yǎng)而引起分化的施旺細(xì)胞。
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3.5 β細(xì)胞異質(zhì)性
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? ? ? ?通過(guò)PCA分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)分不同功能的β細(xì)胞的不是基因的數(shù)量，而是特征性基因的表達(dá)（圖11）。總結(jié)來(lái)說(shuō)：PC1值低的基因主要與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的應(yīng)激功能相關(guān)、PC1值高的基因主要與β基因功能一致。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，也就是β細(xì)胞的未折疊蛋白反應(yīng)是由高水平的胰島素合成引起的。由于胰島素分泌的高需要，β細(xì)胞參與到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)。
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圖11 β細(xì)胞特征基因的PCA分析
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3.6 單細(xì)胞測(cè)序與大量細(xì)胞測(cè)序結(jié)果的比較
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? ? ? ?通過(guò)調(diào)整了大量細(xì)胞中細(xì)胞的比例變化后，發(fā)現(xiàn)之前找到的2，369個(gè)差異基因，在調(diào)整細(xì)胞比例的變化后，差異不存在顯著性；并且找到了233個(gè)之前認(rèn)為沒(méi)有差異的基因。
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圖12 大量細(xì)胞測(cè)序與單細(xì)胞測(cè)序結(jié)果的差異
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? ? ? ?本研究構(gòu)建人和小鼠的胰腺細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄本圖譜，將它們比對(duì)到已知的細(xì)胞類(lèi)型，并指出它們的功能，讓我們更清楚的認(rèn)識(shí)了一些之前認(rèn)識(shí)較少的細(xì)胞，比如星狀細(xì)胞。
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? ? ? ?此外，之前通過(guò)大量細(xì)胞測(cè)序確定為在糖尿病患者和健康獻(xiàn)血者之間差異表達(dá)的基因，可能是僅僅因?yàn)榧?xì)胞類(lèi)型比例變化引起的，也就是假陽(yáng)性，或者因?yàn)榧?xì)胞比例的變化而隱藏了一些變異，也就是假陰性。而我們通過(guò)群體單細(xì)胞測(cè)序更為精準(zhǔn)的尋找基因表達(dá)的變化，從而確定糖尿病發(fā)生時(shí)細(xì)胞微環(huán)境的變化以及發(fā)生的機(jī)制。
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大規(guī)模單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序 構(gòu)建單胚胎心肌細(xì)胞的亞群 以及細(xì)胞圖譜
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Transcriptomic Profiling Maps Anatomically PatternedSubpopulations among Single Embryonic Cardiac Cells
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期刊：《Developmental Cell》 發(fā)表時(shí)間：2016.11 影響因子：9.338 發(fā)表單位：斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院生命科學(xué)研究所
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? 胚胎基因表達(dá)復(fù)雜地反映了解剖學(xué)環(huán)境、發(fā)育階段和細(xì)胞類(lèi)型。為了解決心臟細(xì)胞的精確空間來(lái)源是否可以從他們的轉(zhuǎn)錄譜中推斷出來(lái)，本文通過(guò)對(duì)心臟發(fā)育的多個(gè)階段進(jìn)行群體單細(xì)胞測(cè)序，并通過(guò)區(qū)域分類(lèi)算法構(gòu)建了心臟發(fā)育早期的解剖圖譜。還揭示了在器官發(fā)育中特定位置單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)如何被調(diào)節(jié)。這些研究成果將有助于發(fā)現(xiàn)早期心臟發(fā)育和疾病發(fā)生的新機(jī)制。 ? 地 址： 北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)科創(chuàng)六街88號(hào)，亦莊生物醫(yī)藥園C座 聯(lián)系人： 市場(chǎng)部 電 話： 18600397163 傳 真： Email：zhiyuanjing@capitalbiotech.com
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